Nature重磅：硅材料的三個重大發現

硅在人們的生產生活中扮演著重要的角色。在1824年，瑞典化學家貝采里烏斯首次制備出硅單質。而這一發現，開啟了硅元素的探索之路。隨后，晶體硅、有機硅材料也相繼被研發出來。直至今日，硅材料也是現代科技中的一個重要組成部分。硅在空氣中具有良好的化學穩定性，其高溫下的性質則與鋁類似，會在表面處形成一層致密的二氧化硅薄膜，防止進一步被氧化。硅在自然界中的含量僅次于氧元素，主要以氧化物和硅酸鹽的形式存在，例如：石英、沙子、云母和瑪瑙等。硅的電子結構模型與碳元素類似，最外層有兩個s軌道電子和兩個p軌道電子，可形成多重雜化軌道，因此通過硅可以合成出多種氧化物。由于硅的原子序數更高，對最外層電子的束縛能力明顯弱于碳，導致硅在激發條件下容易失去電子，具有很強的光電轉換性能。由于這些特性，使得硅在計算機、集成電路、智能芯片等行業中得到廣泛的應用，成為了構建信息時代的基石。隨著研究者的不斷探索，硅材料更多的特性被發掘。下面，我們就來報道一下近期有關硅材料的三個重大發現。 

保真度是指表征電子設備輸出再現輸入（聲音、視頻、圖像等）信號的相似程度。保真度越高，輸出的信號就越逼真。硅量子點的電子自旋特性對量子計算機的相干行為、高溫運行能力等有著重要的影響。單量子比特門保真度在高于容錯閾值的情況下可以通過常規方法來實現。然而，由于操作的復雜性以及緩慢的相干性，雙量子比特門保真度在低于容錯閾值的情況下僅為98%，本機雙量子比特門的自旋量子位包括SWAP函數、控制相以及旋轉控制系統，這些均取決于硅量子點之間的交換耦合作用。通過柵極電壓脈沖可以有效控制硅量子點之間的交換耦合，確保SWAP函數、受控相位門具有較高的帶寬及精度，從而構成高保真門。其中，旋轉控制系統可以通過減少相應的脈沖信號將其量子點固定到聯軸器上。隨著量子比特門的增加，保真度僅為98%，則產生較大的光失相行為，導致嚴重的失真現象。而改善光失相的關鍵點在于讓儀器具有更快的運行速率來超過超越容錯閾值。為了放大硅自旋量子位，需要一種可靠而有效的高保真門調諧方法來解決這一問題。

對此，日本理化學研究所新興物質科學中心Akito Noiri等研究團隊開發出了一種由硅和硅鍺合金堆棧組成的新型雙量子比特系統，將其中量子信息被編碼并限制在量子點的電子自旋中。結果表明：單量子比特保真度高達99.87%，雙量子比特的保真度為99.65%。在加入相鄰量子比特的串擾和空轉誤差的情況下仍能保持較高的保真度（99%以上）。并有效地證實了雙量子比特門的保真度可以通過微磁體誘導的梯度場以及雙量子比特耦合來改進。

該研究首次使自旋量子比特在通用量子控制性能方面與超導電路及離子陷阱相抗衡，為硅量子計算機的研發奠定了基礎，成果以“Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon”為題發表在nature期刊上。 

數字圖像傳感器主要是利用材料的光電轉換性能，將感光面上的光信號轉變為與光信號成相應比例關系的電信號，并進一步以數字量或數字編碼的形式輸出。其中，數字互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器使二維成像技術得到進一步的發展。作為一種典型的固體成像傳感器，利用透鏡將光線聚焦在探測器上形成圖像，主要包括敏感單元陣列、行列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據端口。具有很強的隨機讀取以及抗輻射能力。因此在二維成像領域中有著廣泛的應用。然而，二維成像技術丟失了很多的物理信息，如物體的幾何尺寸以及空間距離等。對此，自2018年研究者提出了三維成像技術的設想。三維成像技術在軍用、民用以及航空航天領域中會帶來很大的經濟效益及社會價值。如無人飛機、遠程導彈、雷達、機械設計以及海底聲納探索等。其中，光學相控陣是一種有效的技術。

對此，Christopher Rogers等研究團隊基于焦平面理論，設計出一種新型全固態的三維CMOS圖像傳感器。該傳感器可以有效地利用光線，實現精準的三維圖像，并且在高溫、高壓等惡劣的環境下仍能保持很好的性能。研究者利用光子和電子電路的單片集成原理，將光學外差探測器的密集陣列與集成的電子讀出架構相結合，結果表明該陣列可以在很大的范圍內延展。通過兩軸固態的光束轉向，可以在一定程度上減少由距離引起的視差。在量子噪聲的存在下，傳感器在75米的距離達到3.1毫米的精度，僅消耗4毫瓦的光，具有極高的精度。該研究小組指出，與其他基于芯片的激光雷達系統相比。

本論文中的硅光子學系統在遠距離操控方面具有無可比擬的優勢，由此也表明硅光子技術在激光雷達集成系統具有很大的研究價值。為三維激光雷達的探測、識別以及成像方面提供了可靠的技術支持。其研究成果以“A universal 3D imaging sensor on a silicon photonics platform”為題發表在nature期刊上。 

核自旋是固體中最相干的量子系統狀態，與外界環境的耦合能力非常弱，在量子信息處理的背景下相干與記錄單量子比特門的保真度有關。然而，如何在弱耦合下實現多量子比特的邏輯運算仍然是一個重大的研究課題。對此，部分研究者嘗試利用金剛石和碳化硅中的自旋缺陷，將多個原子核耦合到一個公共原子核來構建電子自旋系統，從而產生量子寄存器，可以維持小的量子邏輯運算與糾錯。通過光量子連接是構建電子自旋系統的一個有效地手段。到目前為止，利用核自旋來產生量子寄存器仍然面臨著很多挑戰，比如密集的量子比特需要被集成在同一半導體芯片中運行。這需要將核量子位中的原子通過物理移動的方法糾纏在一起，并在電子核量子處理單元中穿插自旋讀出裝置。

對此，Mateusz T. M?dzik研究小組在硅納米電子器件中使用一對離子注入的P施主原子核，來設計出一種通用量子邏輯操作。通過將幾何相位賦予共享電子自旋，并用于制備保真度高達94.2%的糾纏貝爾態，可獲得核雙量子位元受控門。量子運行機制可以通過門集層析成像技術精確表征，并產生一個量子位平均門，保真度高達99.95%，雙量子比特平均門保真度為99.37%，雙量子比特制備/測量保真度高達98.95%。這三個指標表明硅中的核自旋的性能可達到量子處理器的性能標準。研究小組展示兩個原子核之間的糾纏過程，通過產生一個格林伯格-霍恩-齊林格三量子位來共享電子，其保真度為92.5%。該半導體中的電子自旋量子位可以進一步耦合到其他電子傳感器，并在物理上可以穿梭于不同的位置。該研究為可伸縮量子信息提供了一條可行的途徑。其研究成果以“Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon”為題發表在nature上。

隨著硅材料在量子計算機、三維影像傳感器以及量子處理器的精確層析成像方面取得的突破，預示著硅光子技術將逐漸成為未來互聯網產業的核心。在未來的大數據時代，互聯網的使用量將持續增長，需要傳輸的數據量越來越多。而現有設備的信號傳輸性能已經很難滿足人們的需求。為此，將高速通信取代電子信號作為傳輸方式，可大大提高信息傳輸效率，而硅光子技術通過光信息傳送與接收，可使處理器內核之間的數據傳輸速率提高100倍以上。利用大規模半導體制造工藝，將各種硅光子器件（調制器、放大器、探測器等）整合在一起，配合高速驅動、讀取器以及時鐘電路等形成功能化模塊系統，并大規模應用于超級計算機、無人駕駛系統、雷達識別以及高科技軍事武器等諸多領域。從而在提高我國綜合國力的同時，也大幅度改善人民的生活水平。雖然硅光子技術在我國仍然處于萌芽階段，面臨著很多挑戰，但隨著研究者們的不斷努力，這些挑戰總能夠得到克服。

1. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y

2. https://www.nature.com/articles/s41586-021-03259-y

3. https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7